レーザドロプレットエピタクシ法による高品質電子材料薄膜の作製

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450006
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 森本 章治 金沢大学, 工学部, 助教授 (60143880)
• 研究分担者: 久米田 稔 金沢大学, 工学部, 教授 (30019773) ; 清水 立生 金沢大学, 工学部, 教授 (30019715)
• キーワード: レーザアブレーション / ドロプレット / エピタクシ / ゲルマニウム薄膜 / 温度シミュレーション / PLD / 液滴状粒子

研究概要

レーザアブレーション(PLA)による薄膜堆積において、これまで邪魔者として扱われてきた液滴を逆に積極的に利用し、液相エピタクシ(LPE)的な成長条件で薄膜を堆積した。これは、気相エピタクシ(VPE)法では得られない欠陥の少ない高品質薄膜をパルスレーザアブレーション法で得ることをねらったものである。
今年度は、Geを対象とした。液滴生成の容易なYAGレーザの第2高調波を用いて、レーザアブレーションによるGe薄膜の堆積を行った。レーザフルエンスを大きくし、ターゲットー基板間距離を短くすることにより、液滴状粒子の密度を飛躍的に高めることができた。基板温度を室温とすると堆積された薄膜は液滴で埋め尽くされており、ターゲットから飛来する粒子は液滴状粒子が主であることがわかった。そして、基板を(100)Si基板とし基板温度を上昇させることにより、Ge薄膜を良好に結晶成長させることが可能となった。具体的には、X線回折及び極点図測定により、Ge結晶が基板垂直方向に[100]配向し、薄膜面内でも完全に結晶軸がそろっていることが確認され、cube-on-cubeでエピタキシャル成長していることがわかった。
さらに液滴状粒子の温度が結晶性に与える影響についても考察するため、液滴状粒子の冷却過程の計算機シュミレーションを行なった。その結果、Geの液滴状粒子の温度のターゲットから飛び出した直後から急速に冷却されるが、液滴状粒子の飛行速度を考慮すると、ターゲット-基板間距離を短くすることにより、基板上へ堆積する粒子の温度を上げる効果もあることがわかった。
これまでの研究により、レーザアブレーションを用いたGe薄膜の堆積において、液滴状粒子を用いたエピタキシャル成長が可能であることを示し、レーザドロップレットエピタクシルを実現した。

研究成果

• [文献書誌] A.Morimoto,S.Oguri,T.Shimizu,T.Minamikawa,Y.Yonezawa: "Epitaxial growth of Ge film on Si by pulsed laser ablation using droplets" Proc.of Int.Symp.on Sputtering and Plasma Processing in 1999.
• [文献書誌] Y.Yonezawa,T.Minamikawa,K.Matsuda,K.Takezawa,A.Morimoto,T.Shimizu: "Size Distribution of Droplets in Film Prepared by Pulsed Laser Ablation" applied surface science. 127-129. 639-644 (1998)
• [文献書誌] A.Morimoto,H.Shigeno,S.Morita,Y.Yonezawa,T.Shimizu: "Effect of Nitrogen Gas on Preparation of Ti-Al-N Thin Films by Pulsed Laser Ablation" applied surface science. 127-129. 994-998 (1998)
• [文献書誌] A.Morimoto,K.Takezawa,T.Minamikawa,Y.Yonezawa,T.Shimizu: "Low-temperature Growth of YBCO Thin Films by Pulsed Laser Ablation in Reductive Environment" applied surface science. 127-129. 963-967 (1998)